JP6733405B2 - 電動車両の冷却構造 - Google Patents

Description

この発明は、駆動用の回転電機とインバータとを有する電動車両に適用される冷却構造に関する。

走行のための回転電機（モータあるいはモータジェネレータ）を有する電動車両は、二次電池（例えばリチウムイオン電池）からなる直流電源をインバータによって三相交流電力に変換し、三相交流電力を回転電機に供給することにより前記回転電機を回転させている。回転電機はモータやモータジェネレータを含む概念であるが、この明細書では簡略化のために単にモータと称することもある。

電動車両に搭載される駆動用のモータは小形でかつ高出力であることが望まれる。従来の電動車両において、モータとインバータとはそれぞれ分かれて個別に搭載されていたが、その場合、モータ用のブラケットとは別に、インバータ取付けのために専用のブラケットが必要であり、しかもモータとインバータとを冷却するための冷却系の配管が個別に必要であるなどの問題があった。

特許文献１に開示されているように、モータとインバータとを一体化したインバータ一体形モータは小形化が可能であり、車両に搭載する上で有利である。しかし、発熱するモータとインバータとの間の伝熱により、インバータの温度がさらに上昇するおそれがある。このため特にインバータ一体形モータの場合には、モータとインバータとを効率良く冷却するための対策が必要である。たとえば特許文献２に開示されているインバータ一体形回転電機のように、冷却水が流れる冷却水路と、空気が流れる通風路とによって、モータとインバータとを冷却する冷却手段も提案されている。

特開平１０−２５７７０８号公報 特開２００５−３３３７８２号公報

特許文献１のインバータ一体形モータは、モータとインバータの周囲を流れる空気のみによって冷却する空冷方式であるため冷却能力が小さい。よって、電動車両のように高出力で発熱量も大きいモータとインバータとを効率良く冷却することが難しい。特許文献２のインバータ一体形回転電機は、冷却水によってモータとインバータを冷却することができるが、冷却水を供給する供給系に不具合が生じて冷却水の供給が止まると、インバータまわりの冷却水路が空になり、インバータが過熱する可能性があるなど、インバータの冷却に関して改善の余地があった。またモータとインバータとをつなぐ三相線にも大電流が流れるため三相線も発熱するが、従来は三相線に対して有効な冷却手段が講じられていなかった。

従って本発明の目的は、インバータや三相線を冷却液と空気とによって冷却することができ、かつ、回転電機とインバータとの間の伝熱を抑制することが可能な電動車両の冷却構造を提供することにある。

１つの実施形態の冷却構造は、三相線を有する回転電機のハウジングに設けられ一対の脚部およびこれら脚部どうしをつなぐ連結部を有する筐体と、前記脚部と前記連結部の内部に形成され冷却液が流れる冷却液流路と、前記ハウジングの外側で前記一対の脚部の間に形成された空気流通部と、前記ハウジングと離間対向して前記一対の脚部の間に配置され前記空気流通部に臨むヒートシンクと、前記連結部と前記ヒートシンクとの間に配置されたインバータと、前記脚部の壁面に形成され前記三相線を前記壁面に沿って配置された三相線取付部とを具備している。

前記三相線取付部が前記三相線の側面を受け入れる凹部を有してもよい。あるいは前記三相線取付部が前記脚部の前記空気流通部に臨む側の壁面に形成されていてもよい。前記空気流通部は、好ましくは電動車両の前後方向に沿って形成され、前記電動車両の前方から前記空気流通部に流入した空気が前記電動車両の後方に向かって流れるようにしてもよい。

前記連結部の冷却液流路に、冷却液を溜めることが可能な液貯留部を有してもよい。前記筐体が前記ハウジングの上部に設けられ、前記筐体の上から順に、前記液貯留部と、前記インバータと、前記ヒートシンクと、前記空気流通部とが配置されてもよい。この場合、前記液貯留部がインバータよりも高い位置に配置されるため、冷却液の供給が止まるなどしたときに、液貯留部に溜まった冷却液をインバータの冷却に利用することができる。

また、前記冷却液を冷却する第１のラジエータ（ＥＶ用ラジエータ）とエンジン冷却用の第２のラジエータとの間に、前記第２のラジエータを通った空気が前記空気流通部に流入することを抑制する仕切り部材を有してもよい。さらに前記一対の脚部のうち、一方の脚部に形成された前記三相線取付部に前記三相線が配置され、かつ、他方の脚部に形成された電源線取付部に前記インバータの電源線が配置されてもよい。

本発明に係る冷却構造によれば、冷却部の筐体の内部を流れる冷却液と空気流通部を流れる空気とによってインバータと三相線を冷却することができる。筐体はインバータを支持するためのブラケット部材としても機能する。また回転電機とインバータとの間に前記空気流通部とヒートシンクが配置されたことにより、回転電機とインバータとの間の伝熱を抑制でき、インバータの過熱を抑制できる。

第１の実施形態に係る電動車両の構成を模式的に示す平面図。 インバータの電気回路の一例を示す図。 図１に示された電動車両のインバータ一体形回転電機の冷却部を断面で表した正面図。 図３に示された冷却部の一部の斜視図。 図３に示された冷却部の一部と三相線の一部を示す斜視図。 第２の実施形態に係る冷却部の一部の斜視図。 第３の実施形態に係る冷却部の一部の斜視図。 第４の実施形態に係る冷却部の一部の断面図。

以下に１つの実施形態に係る電動車両の冷却構造について、図１から図５を参照して説明する。
図１はハイブリッド形の電動車両１０を示している。図１中に矢印Ｘで示す方向が電動車両１０の前方である。電動車両１０は、走行用のモータ（三相交流モータ）１１と、モータ１１の電源である駆動用バッテリ１２と、駆動用バッテリ１２から供給される直流電流電力を三相交流電力に変換してモータ１１に供給するインバータ１３と、走行用のエンジン（内燃機関）１４と、エンジン１４の回転を駆動軸１５に伝える動力伝達機構１６と、ジェネレータ（発電機）１７とを備えている。

駆動用バッテリ１２は、例えばリチウムイオンやニッケル水素等の二次電池であり、複数のセルを接続することにより数百ボルトの電圧を得るようにしている。駆動用バッテリ１２に発生した直流電流はコンバータ等を介してインバータ１３に供給される。ジェネレータ１７は、エンジン１４の回転によって発電し、その電力をインバータ１３を介して駆動用バッテリ１２に供給する。

図２は、インバータ１３を構成する電気回路の一部を示している。インバータ１３は、電源線２０，２１間に並列接続された３相のアーム２２，２３，２４を有している。第１のアーム２２は、第１のパワートランジスタ２２ａ，２２ｂとダイオード２２ｃ，２２ｄとを含んでいる。第２のアーム２３は、第２のパワートランジスタ２３ａ，２３ｂとダイオード２３ｃ，２３ｄとを含んでいる。第３のアーム２４は、第３のパワートランジスタ２４ａ，２４ｂとダイオード２４ｃ，２４ｄとを含んでいる。

電源線２０，２１からインバータ１３に供給された直流電圧がインバータ１３によって三相交流電圧に変換される。インバータ１３は電力変換のスイッチング動作等により発熱する。インバータ１３によって変換された三相交流電圧は、三相線３１，３２，３３を介して、駆動対象としてのモータ１１に供給され、モータ１１を回転させる。モータ１１や三相線３１，３２，３３にも大電流が流れるため、モータ１１と三相線３１，３２，３３も発熱する。

電動車両１０はＥＶ用冷却液循環系４０（図１に示す）を備えている。ＥＶ用冷却液循環系４０は、モータ１１やインバータ１３などのＥＶ用機器を冷却するために、第１のラジエータ（ＥＶ用ラジエータ）４１と、第１のラジエータ４１によって冷却された冷却液をモータ１１に供給するポンプ４２とを含んでいる。ＥＶ用冷却液循環系４０で使用される冷却液の一例は、不凍液が添加された冷却水である。

またこの電動車両１０は、エンジン１４を冷却するためのエンジン用冷却液循環系５０を備えている。エンジン用冷却液循環系５０は、第２のラジエータ（エンジン用ラジエータ）５１と、第２のラジエータ５１によって冷却された冷却液をエンジン１４の冷却液流路（ウォータジャケット等）に供給するポンプ５２とを含んでいる。エンジン用冷却液循環系５０で使用される冷却液の一例は、不凍液が添加された冷却水である。

第１のラジエータ４１と第２のラジエータ５１とは、それぞれ電動車両１０の前部に配置されている。第２のラジエータ５１を通過した空気の温度は、第１のラジエータ４１を通過した空気の温度よりも高い。このため、第１のラジエータ４１と第２のラジエータ５１との間には、第２のラジエータ５１を通過した高温の空気がモータ１１やインバータ１３に向かうことを抑制するための仕切り部材５５が配置されている。

図３は、１つの実施形態に係る冷却部６０を備えたインバータ一体形回転電機６１を示している。このインバータ一体形回転電機６１は、出力軸６５を有するモータ１１と、モータ１１に三相交流電力を供給するインバータ１３と、インバータ１３を冷却する冷却部６０などを含んでいる。モータ１１のハウジング７０に冷却流路７１，７２（図３に一部のみ示す）が形成されている。ハウジング７０の内側には巻線を有するステータが設けられている。出力軸６５はハウジング７０内のロータと一体に回転する。

図３に示された冷却部６０は、ハウジング７０に固定された筐体８０を備えている。筐体８０は門形をなし、ハウジング７０の上部（例えばハウジング７０の上面）に設けられている。図３中の矢印Ｙは電動車両１０の上方を示している。筐体８０の材質は特に限定されないが、ハウジング７０と同様に、例えばアルミニウム合金のように鋼よりも熱伝導率が高い材料が望ましい。筐体８０は、インバータ１３を支持するためのブラケット部材としても機能する。

筐体８０の一例は、上下方向に延びる一対の脚部８１，８２と、脚部８１，８２の上端を互いにつなぐ連結部８３とを有している。連結部８３は水平方向に延びている。脚部８１，８２と連結部８３とはそれぞれ中空であり、脚部８１，８２と連結部８３の内部に、冷却液Ｗが流れる冷却液流路９０，９１，９２が形成されている。

一方の脚部８１に形成された冷却液流路９０は、ハウジング７０の冷却流路７１と連通している。他方の脚部８２に形成された冷却液流路９１は、ハウジング７０の冷却流路７２と連通している。ハウジング７０の冷却流路７１，７２と筐体８０の冷却液流路９０，９１，９２には、ＥＶ用冷却液循環系４０の一部をなす冷却液供給機構９３によって冷却液Ｗが供給される。

冷却液供給機構９３はポンプ４２（図１に示す）を含んでいる。ポンプ４２は、第１のラジエータ４１によって冷却された冷却液Ｗを、ハウジング７０の冷却流路７１を介して筐体８０の冷却液流路９０，９１，９２に供給する。例えば図３に矢印Ｚで示すように、ハウジング７０の冷却流路７１から一方の脚部８１の冷却液流路９０に流入した冷却液Ｗが、連結部８３の冷却液流路９１に流入し、他方の脚部８２の冷却液流路９２を通ってハウジング７０の冷却流路７２に流入する。

ハウジング７０の外側で筐体８０の脚部８１，８２の間に、空気流通部１００が形成されている。空気流通部１００は、電動車両１０の前後方向に沿うように形成され、電動車両１０の前方から空気流通部１００に流入した空気が電動車両１０の後方に向かって円滑に流れるようになっている。

ハウジング７０の上面７０ａと離間対向して、脚部８１，８２の間にヒートシンク１１０が配置されている。ヒートシンク１１０はアルミニウム合金のように鉄よりも熱伝導率が高い材料からなり、放熱フィン１１１を有している。このヒートシンク１１０は、放熱フィン１１１が空気流通部１００に臨むように、放熱フィン１１１が下を向いた姿勢で脚部８１，８２間に配置されている。

インバータ１３は、連結部８３の下面８３ａとヒートシンク１１０の上面１１０ａとの間に配置されている。インバータ１３の上面１３ａは連結部８３の下面８３ａに接し、インバータ１３と連結部８３との間で熱交換が行われるようになっている。インバータ１３の下面１３ｂはヒートシンク１１０の上面１１０ａに接し、インバータ１３とヒートシンク１１０との間で熱交換が行われるようになっている。インバータ１３に発生した熱が連結部８３の冷却液流路９２を流れる冷却液Ｗによって冷却されるとともに、インバータ１３の熱がヒートシンク１１０に伝わることにより空気流通部１００を通る空気によっても冷却され、効率よく冷却することが可能となる。

連結部８３の冷却液流路９２に液貯留部１２０が形成されている。液貯留部１２０の一例は有底の凹部の形態をとり、その面積と深さに応じて、ある程度の量の冷却液Ｗを溜めることができるようになっている。液貯留部１２０はインバータ１３の上面側（インバータ１３よりも高い位置）に配置されている。この液貯留部１２０は、何らかの原因により冷却液流路９０，９１，９２への冷却液Ｗの供給が止まった状態において、インバータ１３をある程度冷却するに足る量の冷却液Ｗを確保できる容量としている。液貯留部１２０の面積に応じてインバータ１３と連結部８３との伝熱面積を大きくとることができる。

このように本実施形態の冷却部６０は、モータ１１の上部に設けられた筐体８０の上から順に、液貯留部１２０を有する連結部８３と、インバータ１３と、ヒートシンク１１０とが配置され、さらにヒートシンク１１０とハウジング７０との間に空気流通部１００が形成されている。すなわちモータ１１とインバータ１３との間に空気流通部１００とヒートシンク１１０とが介在するため、モータ１１とインバータ１３との間の伝熱を抑制することができる。

筐体８０の一方の脚部８１の空気流通部１００に臨む側の壁面８１ａに、三相線取付部１３０が設けられている。本実施形態の三相線取付部１３０は、図４に示されるように上下方向に延びる溝等の凹部１３１，１３２，１３３を有している。凹部１３１，１３２，１３３は、三相線３１，３２，３３の側面を受け入れることができるように、三相線３１，３２，３３の側面に沿う断面形状に形成されている。

図５に示されるように、凹部１３１，１３２，１３３に三相線３１，３２，３３の側面を嵌合させることにより、三相線３１，３２，３３が脚部８１の壁面８１ａに接した状態で配置されている。このため三相線３１，３２，３３は、冷却液流路９０を流れる冷却液Ｗと、空気流通部１００を流れる空気とによって冷却される。

三相線３１，３２，３３は、それぞれ、銅からなる導体１４０と、導体１４０を覆う電気絶縁性の被覆材１４１とを含んでいる。熱伝導率ｋ（Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１）に関し、例えば温度が１００℃の場合、銅の熱伝導率は３９５である。これに対し銅以外の金属、例えばステンレス鋼（Ｎｉ−Ｃｒ）の熱伝導率は４９、アルミニウムの熱伝導率は２４０である。すなわち銅の熱伝導率は、他の金属と比較してかなり高い値である。三相線３１，３２，３３を冷却することは、インバータ１３の温度上昇を抑制する上で有効である。

このように本実施形態のインバータ一体形回転電機６１は、冷却部６０の筐体８０がモータ１１のハウジング７０に固定され、筐体８０がインバータ１３とヒートシンク１１０とをモータ１１に取付けるブラケット部材としても機能する。このためインバータ１３を取付けるための専用のブラケット部材が不要となり、モータ１１とインバータ１３とが一体化されたことにより小形化が可能となり、三相線３１，３２，３３の長さも短くすることができた。また三相線３１，３２，３３が筐体８０の内側（空気流通部１００）に配置されているため、三相線３１，３２，３３を筐体８０によって保護することができる。

以下に、本実施形態の冷却部６０を備えたインバータ一体形回転電機６１の作用について説明する。
図１に示された電動車両１０は、モータ１１のみによって走行するＥＶ走行モードと、エンジン１４で走ってモータ１１でアシストするパラレル走行モードと、エンジン１４で発電した電力を使ってモータ１１によって走るシリーズ走行モード等を必要に応じて選択することができる。モータ１１による走行の際には、駆動用バッテリ１２から供給される直流電力がインバータ１３によって三相交流電力に変換されることにより、三相交流電力がモータ１１に供給され、モータ１１が回転する。このためモータ１１が発熱するとともに、インバータ１３も発熱する。三相線３１，３２，３３にも大電流が流れるため、三相線３１，３２，３３も発熱する。

第１のラジエータ４１によって冷却された冷却液Ｗがハウジング７０の冷却流路７１，７２に供給されることにより、モータ１１が冷却される。この冷却液Ｗは、冷却部６０の冷却液流路９０，９１，９２にも流れる。このためインバータ１３は、冷却液流路９０，９１，９２を流れる冷却液Ｗによって冷却されるとともに、ヒートシンク１１０を介して空気流通部１００を通る空気によっても冷却される。第１のラジエータ４１と第２のラジエータ５１との間に仕切り部材５５が配置されているため、第２のラジエータ５１を通った高温の空気が空気流通部１００に流入することを抑制できる。

このようにインバータ１３を冷却液Ｗと空気とによって冷却することができるため、冷却液Ｗを循環させるためのポンプ４２の稼働頻度を低くすることができ、消費電力を少なくすることができる。また三相線３１，３２，３３は、空気流通部１００を流れる空気によって冷却されるともに、脚部８１，８２の冷却液流路９０，９１を流れる冷却液Ｗによっても冷却される。

三相線３１，３２，３３は、筐体８０の脚部８１に形成された凹部１３１，１３２，１３３に取付けられた状態において、脚部８１の壁面８１ａに接している。このため筐体８０に対する三相線３１，３２，３３の位置決めが容易であるとともに、三相線３１，３２，３３が所定位置から移動したり、振動したりすることを抑制できる。また三相線３１，３２，３３の側面が凹部１３１，１３２，１３３に嵌合しているため、三相線３１，３２，３３と壁面８１ａとの接触面積を大きくとることができ熱交換が促進されるとともに、空気流通部１００を流れる空気の流路抵抗を減らすことができる。

何らかの原因によって冷却液Ｗの供給がストップし、脚部８１，８２内の冷却液流路９０，９１の液面が下がってしまっても、連結部８３の液貯留部１２０に溜まっている冷却液Ｗによってインバータ１３をある程度冷却することができ、しかも空気流通部１００を流れる空気によってインバータ１３を冷却することができる。このため、インバータ１３の温度が過度に上昇することを回避できるものである。

しかもモータ１１とインバータ１３との間に空気流通部１００とヒートシンク１１０とが存在するため、モータ１１とインバータ１３との間の伝熱を抑制することができる。このためモータ１１の熱によってインバータ１３の温度が上昇することを抑制できる。

図６は第２の実施形態に係るインバータ一体形回転電機の冷却部６０Ａの一部を示している。この実施形態の冷却部６０Ａは、一方の脚部８１の空気流通部１００に臨む側の壁面８１ａに設けられた三相線取付部１３０に三相線３１，３２，３３を配置し、かつ、他方の脚部８２の空気流通部１００に臨む側の壁面８２ａに設けられた電源線取付部１５０に電源線２０，２１を配置している。こうすることにより、電源線２０，２１と三相線３１，３２，３３との双方を、冷却液流路９０，９１内の冷却液によって冷却することができる。それ以外の構成と作用について、第２の実施形態のインバータ一体形回転電機は、第１の実施形態のインバータ一体形回転電機６１と同様であるため、両者に共通の部分に共通の符号を付して説明を省略する。

図７は第３の実施形態に係るインバータ一体形回転電機の冷却部６０Ｂの一部を示している。この実施形態の冷却部６０Ｂは、冷却液流路９１を有する脚部８２の空気流通部１００とは反対側の壁面８２ｂに三相線取付部１３０を設け、三相線取付部１３０の凹部１３１，１３２，１３３に沿って三相線３１，３２，３３を配置している。それ以外の構成と作用について、第３の実施形態のインバータ一体形回転電機は、第１の実施形態のインバータ一体形回転電機６１と同様であるため、両者に共通の部分に共通の符号を付して説明を省略する。

図８は第４の実施形態に係るインバータ一体形回転電機の冷却部６０Ｃの一部を示している。この実施形態の冷却部６０Ｃは、液貯留部１２０の上流側と下流側に、それぞれ傾斜部１２０ａ，１２０ｂが形成されている。上流側の傾斜部１２０ａは、冷却液流路９２の入口部９２ａから液貯留部１２０に向かって低くなっている。下流側の傾斜部１２０ｂは、液貯留部１２０から冷却液流路９２の出口部９２ｂに向かって高くなる形状としている。このように少なくとも液貯留部１２０の上流側に傾斜部１２０ａを形成することで、冷却液Ｗが冷却液流路９２の入口部９２ａから液貯留部１２０に流入しやすくなり、冷却液Ｗを確保しやすくなる。それ以外の構成と作用について、第４の実施形態の冷却部６０Ｃは、第１の実施形態の冷却部６０と同様であるため、両者に共通の部分に共通の符号を付して説明を省略する。

なお本発明を実施するに当たり、電動車両の具体的な構成をはじめとして、この発明を構成する各要素の構造や形状、配置等の態様を電動車両の仕様に応じて適宜変更して実施できることは言うまでもない。回転電機や冷却部の構成や配置等についても前記実施形態に限定されるものではない。例えばモータのハウジングの側部に冷却部が配置されてもよい。また三相線取付部の凹部が溝以外の形態であってもよい。本発明の冷却構造は、ハイブリッド形の電動車両に限ることなく、モータのみで走行する電気自動車にも適用可能である。

１０…電動車両、１１…モータ（回転電機の一例）、１２…駆動用バッテリ、１３…インバータ、１４…エンジン、２０，２１…電源線、３１，３２，３３…三相線、４１…第１のラジエータ、５１…第２のラジエータ、５５…仕切り部材、６０…冷却部、６１…インバータ一体形回転電機、７０…ハウジング、７１，７２…冷却流路、８０…筐体、８１…脚部、８１ａ…壁面、８２…脚部、８２ａ…壁面、８３…連結部、９０，９１，９２…冷却液流路、９３…冷却液供給機構、１００…空気流通部、１１０…ヒートシンク、１１１…放熱フィン、１２０…液貯留部、１３０…三相線取付部、１３１，１３２，１３３…凹部、１５０…電源線取付部。

Claims (8)

1. 三相線を有する回転電機のハウジングに設けられ、一対の脚部およびこれら脚部どうしをつなぐ連結部を有する筐体と、
   前記脚部と前記連結部の内部に形成され冷却液が流れる冷却液流路と、
   前記ハウジングの外側で前記一対の脚部の間に形成された空気流通部と、
   前記ハウジングと離間対向して前記一対の脚部の間に配置され、前記空気流通部に臨むヒートシンクと、
   前記連結部と前記ヒートシンクとの間に配置されたインバータと、
   前記脚部の壁面に形成され前記三相線を前記壁面に沿って配置された三相線取付部と、
   を具備したことを特徴とする電動車両の冷却構造。
2. 前記三相線取付部が前記三相線の側面を受け入れる凹部を有することを特徴とする請求項１に記載の電動車両の冷却構造。
3. 前記三相線取付部が前記脚部の前記空気流通部に臨む側の壁面に形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の電動車両の冷却構造。
4. 前記空気流通部が電動車両の前後方向に沿って形成され、前記電動車両の前方から前記空気流通部に流入した空気が前記電動車両の後方に向かって流れることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電動車両の冷却構造。
5. 前記連結部に形成された前記冷却液流路に、前記冷却液を溜めることが可能な液貯留部を有したことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の電動車両の冷却構造。
6. 前記筐体が前記ハウジングの上部に設けられ、前記筐体の上から順に、前記液貯留部と、前記インバータと、前記ヒートシンクと、前記空気流通部とが配置されることを特徴とする請求項５に記載の電動車両の冷却構造。
7. 前記冷却液を冷却する第１のラジエータと、エンジン冷却用の第２のラジエータとの間に、前記第２のラジエータを通った空気が前記空気流通部に流入することを抑制する仕切り部材を有したことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の電動車両の冷却構造。
8. 前記一対の脚部のうち、一方の脚部に形成された前記三相線取付部に前記三相線が配置され、かつ、他方の脚部に形成された電源線取付部に前記インバータの電源線が配置されることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の電動車両の冷却構造。

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